隐伏溶蚀性顶板巷道围岩稳定性分析及复合支护技术研究

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受煤层赋存条件影响,贵州省境内煤层不同程度受到地层中伴生发育的灰岩溶蚀区域的影响。多孔且伴有一定泥质填充的溶蚀性顶板由于其原位强度低、岩体完整性差、裂隙交叠贯通、巷道涌水量大,使得巷道在该类层位条件下的围岩稳定性控制议题成为现场巷道施工及巷道维护中较为棘手的工程技术难题,目前对于其稳定性及控制技术的研究还处于探索、实践之中,有必要对其开展相关的支护理论及支护技术的研究。为解决溶蚀性顶板巷道围岩完整性差,巷道雨季涌水量大的工程实际问题,本文以国家自然科学基金项目“溶洞地貌下浅埋近距离煤层群开采覆岩联动垮落机理研究”(项目编号:51964008)为课题依托,以贵州某矿111701巷为工程背景,研究溶蚀性顶板控制下的岩体变形特点及变形规律,对溶蚀性顶板巷道围岩稳定性进行分析,并针对性的开展防水阻水复合支护理论及支护技术的研究,提出针对性的巷道复合支护方案。针对巷道的实际工况条件及所在区域的地质影响因素,本文提出应对复杂应力环境的、提高围岩完整性的、具有较高支护强度的、能满足巷道防水阻水要求的“叠加承载拱巷道支护理论”,并在支护理论基础上设计适合溶蚀性顶板的巷道支护方案。采用FLAC3D数值模拟软件模拟并分析采取复合支护方案前后的巷道应力分布特点,并分析两者的应力、位移、塑性区等分布特征;结合数值模拟结果,对复合支护方案进行有效核验,明确了支护结构在顶板以及两帮的力学承载特性。最后通过现场监测,对采取的复合支护方案的支护效果进行分析,主要研究结论如下:(1)综合地质资料及工程资料,阐述了溶蚀性顶板的力学属性及工程特性;分析溶蚀性顶板围岩变形破坏特征及变形破坏规律,其变形破坏特点主要有:巷道非对称变形、泥化现象明显、裂隙涌水量大、帮侧肩角内缩、顶板下沉、锚杆锚索失效、局部断面收敛严重等;从应力环境、围岩岩性、支护结构、理化作用四方面,对溶蚀性顶板的围岩变形特点进行了分析。(2)基于溶蚀性顶板围岩变形破坏特征及变形破坏规律,提出叠加承载拱巷道围岩控制概念。提出了针对溶蚀性顶板的“叠加承载拱”围岩控制理论;支护理论的主要原理在于:500mm厚度的灌浆层能达到阻水且能显著提高围岩完整性,浆液渗透至裂隙发育区形成网络骨架结构,强化支护薄弱环节、强化围岩自承载性能、提高破碎区岩体残余强度、提高塑性区围岩完整性,既能高强抗压,又能适度让压,并且能形成一层有效的防水支护壳体,阻止水理侵蚀作用对巷道的损害。建立“叠加承载拱”支护体力学模型,推导出叠加承载拱的极限承载能力计算公式;其次建立“叠加承载拱”支护结构计算模型,推导出其弹性区、塑性区、破碎区应力及位移求解公式。(3)阐明了溶蚀性顶板巷道围岩支护的原则,并基于以上研究,开展支护方案设计,并确定了以“锚杆(索)+灌浆+U型钢”为主的复合支护方案;针对复合支护方案中的灌浆部分,开展灌浆体物理力学实验,进行力学性能测试。从岩体网络骨架结构、缩小破碎区与塑性区范围、灌浆隔层阻止水理侵蚀等三个方面分析了灌浆体系的支护机理。(4)建立了溶孔数值模型与巷道数值模型,分别对溶蚀性顶板的应力状态和巷道采用复合支护方案前后的垂直位移、水平位移、塑性区进行了分析。数值模拟结果表明:“锚杆(索)+灌浆+U型钢”复合支护方案有效改善了围岩完整性,使围岩周向均具有较大支护反力,有效控制了溶蚀性顶板的沉降量和两帮移进量。复合方案能有效耦合岩体与支护结构,提升围岩主动承载性能,能够满足巷道支护要求。(5)以贵州某矿111701巷为工程背景开展工业性试验,对拟采取的复合支护方案的巷道进行断面监测,采用YJDM3.6矿用激光巷道断面检测仪对巷道的顶板下沉量、两帮移进量、底鼓变形量进行数据监测及记录。监测结果表明:顶板最终变形量、两帮移近量及底鼓量均达到巷道支护预期,基于叠加承载拱理论的巷道“锚杆(索)+灌浆+U型钢”复合支护技术提高了溶蚀性顶板围岩的完整性,强化了围岩的自承载能力,阻隔了裂隙水向巷道的涌入,缓和了围岩向内部空间的移进,巷道整体稳定性控制达到了预期效果。
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